A SZERVEZET ANYAGCSERE-INTEGRÁCIÓJA
BEVEZETÉS Áttekintés Az élı állati szervezetek a szervezıdésük komplex rendjét dinamikus állandósult (homeosztatikus) állapotban tartják: a táplálékból származó tápanyagoknak és a kötéseikben kémiai (elektromágneses) energiának importjával és felhasználásával. Rendelkeznek azzal a bonyolult gépezettel, ami szükséges • a tápanyagokból származó energia felszabadításához és raktározásához, • komplex molekulákat tudnak létrehozni a tápanyagok molekuláinak átalakítása során egyszerőbbekbıl új molekulák felépítésére, • ezekbıl új struktúrákat képesek szervezni a lebomlók helyébe. Ezeket a kémiai reakciókat, illetve a hálózataikat együttesen nevezik anyagcserének (metabolizmusnak); ezek lényege a molekulák és energiák enzimek által katalizált átalakítási reakcióinak hálózata, amelynek szerkezetét a kapcsolódó reakciók sebességei jelentik. Anyagcsereutak (metabolikus pályák) A molekulák, illetve a kémiai kötési energiák átalakulásai gyakran számos kapcsolt reakcióban zajlanak; az egyes reakciókat enzimek egymás utáni sorai katalizálnak. Az enzimreakciók meghatározott sorrendje együttesen alkot egy anyagcsereutat (metabolikus pályát), amely végül is meghatározott és a szervezet számára felhasználandó végtermékhez vezet. Az ilyen reakció-egymásutánokban az egyik enzimreakció terméke lesz a sorrendben következı reakció szubsztrátuma; de az is lehet, hogy a termék két vagy több következı reakciókban párhuzamosan használódik tovább valamilyen szabályozható megoszlásban. Az enzimatikus reakciók egymást követı vagy párhuzamosan kialakuló termékei az anyagcsereköztitermékek (metabolitok). Az anyagcsere két aspektusa Az anyagcsereutak kiindulási és végtermékeit tekintve az egész anyagcserereakcióhálózat két (fıleg didaktikai) szempont szerint elemezhetı. 1. A lebontó anyagcsere (katabolizmus) kémiai lebontó folyamatokat foglal magába, aminek során a bonyolult molekulák egyszerőbbekké bomlanak le. Az ilyen lebontó metabolikus pályákban egy vagy több lépés kémiai értelemben oxidáció, és az egész anyagcsereút nettó energiafelszabadító. • A katabolizmus egyik fontos funkciója a felvett táplálékból származó molekulák átalakítása egyszerőbb építıkövekké (vagy monomerekké), majd azoknak még kevesebb fajta és még egyszerőbb köztitermékké. • A katabolikus folyamatok során nettó szabadenergia szabadul fel a bonyolult molekulák egyes átalakulásai során; a katabolizmus tehát nettó energiafelszabadulást jelent. • A felszabadult szabadenergia egy része (nagyjából átlagosan 50 %-a) kapcsolt enzimreakciókkal megırizhetı és az ATP terminális két foszforsavanhidrid kötésében ideiglenesen raktározható. A felszabadult energia többi része a rendszer
•
rendezetlenségét (entrópiáját) növeli (∆S > 0), ami hıenergiaként (T∆S) jelentkezik és végül leadódik a környezetbe (disszipálódik). Az ATP foszforsavanhidrid kötéseiben ideiglenesen raktározott kémiai (elektromágneses) energia használható fel közvetlenül az életfolyamatok energiaigényének kielégításáre (szintén nagyjából 50 %-os hatásfokkal).
2. A felépítı anyagcsere (anabolizmus vagy bioszintézis) foglalja magába az anyagcsere azon reakcióit, amelyekben új molekulák képzıdnek a tápanyag-molekulák átalakításai során létrehozott monomerekbıl vagy metabolitokból. Ezek a bioszintézissel létrehozott új • komplex makromolekulák helyettesítik majd a szervezet elhasználódott, elromlott és ezért lebontásra ítélt makromolekuláit, • molekulák jelentik a szervezet hosszabb távú energiaraktárait (glikogén, triacilglicerinek). A felépítı anyagcsere az életfolyamatok legfontosabbja, mert • általa tartja meg a szervezet anyagainak dinamikus állandósult állapotát a rajta átfolyó anyagáramlások ellenére, • ha az intenzitása növekszik és meghaladja a saját anyagok lebontásának sebességét, akkor még növekedést is elıidézhet (ha viszont intenzitása elmarad a saját anyagok lebontásának intenzitásától, akkor az eredmény a szervezet fogyása lesz). ⇒ Ezért az anabolizmus nettó energiafelhasználást igényel, és rendszerint egy vagy több kémiai értelmő redukció is bele van iktatva. Az energiaigény 3-féle módon is kielégíthetı: a/ a lebontó anyagcsere-reakciókból származó ATP hidrolízisébıl (közvetlen energiaátadás). b/ egyes esetekben nagy energiájú hidrogénbıl a redukált NADPH alakjában, c/ egyes szövetekben az ATP energiája át tud kerülni egyes endogén tápanyagok kötéseibe, majd ezekbıl az ATP-be visszatöltıdik az aktuális szükséghelyzet esetén. Ilyenek: • kreatin + ATP ↔ kreatin-foszfát + ADP (vázizom) • glikogénn + glükóz + ATP ↔ glikogénn+1 + ADP (izom, máj, vékonybél) • glicerin + zsírsavak + ATP ↔ triacil-glicerin + ADP (izom, de inkább zsírszövet). AZ ANYAGCSEREUTAK KOMPARTIMENTALIZÁCIÓJA
1. A sejtekben Az anyagcsereutakat katalizáló enzimek gyakran lokalizálódnak az eukarióta állati sejtek specifikus i.c. kompartimentumaiban (a sejtszervecskékben). A kompartimentum olyan térrész, amelyben a vizsgált molekula szabadon diffundál, de amelynek határán a szabad diffúziót valamilyen kényszer jelentısen mérsékli vagy meggátolja. Ezért a határon másfajta kinetikájú be- és kilépéssel kell számolni. A kompartimentum-határok kényszereinek valós megnyilvánulásai a látható struktúrák, pl. a membránok. Pl. a glükóz tejsavas átalakulásának ( a tejsavas erjedésnek vagy glikolitikus pályának) enzimei a sejtek citoszóljában találhatók (vagyis nem záródnak sejtszervecskékbe), de kapcsolódhatnak az ER membránjaihoz. Viszont a Szent-Györgyi—Krebs-féle citrátkör enzimei (amelyek a szénváznak CO2dá való teljes eloxidálásának reakcióit katalizálják) a kettıs membránnal körülvett mitokondriumok belsı membránja által körülzárt alapállományában (mátrixában) lokalizálhatók.
A végsı oxidáció (amely a tápanyagok és a metabolitok H-jeit oxidálja vízzé) és a vele kapcsolt oxidatív foszforiláció enzimei a mitokondriumok belsı membránjában helyezkednek el. 2. A szervezetben Az egyedfejlıdés ideje alatt zajló differenciáció során mőködésmegoszlás alakul ki a különbözı szövetek különféle fenotípusú sejtjei között. A sejtekben zajló anyagcsere-reakciók úgy folytatódnak más sejtekben, hogy az egyik sejt által kibocsátott metabolitokat más sejtek felvesznek (transzportfolyamatokkal) és továbbalakítanak. ⇒ Az egész szervezet metabolizmusa tkp. egyetlen nagy biokémiai reakcióhálózat, amelyben az egyes sejtekben részben más és másféle reakciók zajlanak. Pl. anaerob körülmények között az izomsejtek a felvett vagy a glikogénbıl nyert glükózból tejsavat termelnek —→ ezt a vérbe bocsátják (laktacidémia) —→ a vérbıl a máj, majd a vese a tejsavat (és a piruvátot, az alanint) felveszi, és képes energiabefektetéssel visszalakítani glükózzá. ⇒ Így több különbözı szerv szövetei között a véráramlás közvetítésével jönnek létre metabolikus ciklusok (mint pl. a fenit ún. Cori-kör). ⇒ A vérkeringés evolúciós fejlıdése tett elehetıvé a differenciáció egyre nagyobb fokának elérését Ám a differenciáció mellett ugyanakkora jelentısége van az integrációnak is, hiszen a különbözı sejtekben zajlóó anyagcsere-folyamatokat össze kell hangolni. Ezt az anyagcsereintegrációt végzik a sejtek közötti metabolit-áramlások és a metabolitok átalakult feldolgozó rendszereibıl az evolúció során létrejött sejtek közötti kommunikációk. A kompartimentalizáció biológiai elınyei. A metabolikus homeosztázis 1. A sejtekben Az anyagcsereutak kompartimentalizációja lehetıvé teszi azon folyamatok elválasztódását (elkülönülését), amelyek anyagáramlásai ellentétes irányban zajlanak; a kompartimentalizáció nélkül ezek interferálnának egymással, és egyik irányban sem zajlana makroszkópos anyagátalakulási áramlás. A kompartimentalizációval azonban ugyanazon sejtben egyszerre folyhat pl. • zsírsavoxidáció acetil-KoÁ-vá a mitokondriumok mátrixában és • zsírsav-bioszintézis acetil-KoÁ-ból a citoszólban. Ráadásul ezen ellentétes irányú folyamatok sebességei is lehetnek egymástól függetlenek, mert eltérı módon és különbözı jelátvivıkkel szabályozódhatnak. Amennyiben azonban ellentétes irányú anyagáramlások azonos kompartimentumban zajlanak (pl. a glikolízis és a glükoneogenezis, mindkettı a májsejtek citoszóljában), akkor viszont funkcionális kompartimentalizáció akadályozza meg, hogy mindkét reakció egyidejőleg futva haszontalanul kioltsa egymást. A funkcionális kompartimentalizáció egy adott folyadéktéren belül létrejöhet • az enzimek strukturális elemekhez (pl. membránokhoz) kapcsolódásával, • az ellentétes irányú anyagáramlást katalizáló enzimatikus pályák koordinált és egymást kizáró szabályozásával. • Pl. a glikolízist az inzulin hatására létrejövı jelátvivık serkentik, míg ugyanezek a glükoneogenezist gátolják;
•
a glükoneogenezist a glukagon és a kortikoszteroidok (fıleg a kortizol) hatására létrejövı i.c. jelátvivık serkentik, míg a glikolízist gátolják. 2. A szervezetben
Itt az anyagcsereutak kompartimentalizációja teszi lehetıvé • a differenciáció bonyolultabb formáinak kifejlıését, • a kapcsolódó reakciók sebességeinek egymástól szétkapcsolását, és ezzel mindig az új anyagok rendelkezésre állásának szabályozását a szervezet aktuális igényeinek megfelelıen. Ez utóbbit is a sejtek közötti kommunikáció autokrin, parakrin, endokrin és neurokrin hírvivıi végzik. ⇒ Így jöhet létre a szervezet homeosztázisának elsıdleges és legfontosabb aspektusa, a metabolikus homeosztázis: normális egészséges (fiziológiai) körülmények között a szervezet különbözı részei az aktuális állapotuknak és igényeiknek éppen megfelelı minıségő és mennyiségő metabolitokkal legyenek ellátva. Metabolikus rendellenességek (anyagcsere-zavarok és –betegségek) abból is kialakulhatnak, hogy a szervezet metabolikus homeosztázisa veszélybe kerül, illetve elromlik, és a szervezet egy másik metabolikus homeosztázis-állapotba kerül (ha ez nem sikerül neki, akkor beáll a pusztulás).
A SZERVEZETI ANYAGCSERE INTEGRÁCIÓJA
Az anyagcsere különféle katabolikus és anabolikus anyagcsereútjai a szénhidrátokat, a lipideket (fıleg a triacil-glicerineket) és a fehérjék aminosavait különböz6ı kémiai átalakításokkal feldolgozzák. Ezek a külsı, illetve belsı tápanyagok szolgáltatják a szervezetben • a sejtek fenntartása és növekedése számára szükséges vegyületek bioszintézisének elıanyagait, és • metabolikus üzemanyagot az életfolyamatok energiaigényének ellátására. Ezek a metabolikus anyagcserepályák – mivel hálózatot alkotnak és az enzimeik aktivitása és termelése szabályozott – egymáshoz hangoltak, de ugyanakkor változtathatók is a szervezet aktuális igényei szerint. Metabolikus üzemanyagok Definíció szerint azon anyagok molekulái, amelyeket a szervezet szénforrásként használ vagy szabadenergia felszabadítása céljából oxidál. Az élı állati szervezetek által felhasznált fı metabolikus üzemanyagok • a szénhidrátok, • a zsírsavak, • a ketontestek (acetecetsav és β-hidroxi-butirát) és • az aminosavak. Az üzemanyagokból felszabadítható energia (az égéshı) Ha egy szerves anyag molekulái molekuláris oxigénnel (O2) reagálnak kaloriméterben és az összes szénatomjuk szén-dioxiddá (CO2) alakul át az oxidáció során, akkor a fejlıdött
hıenergia az ezen anyagban rendelkezésre álló potenciális szabadenergia mértéke. Ezért a kaloriméterben a szén teljes eloxidálása során felszabaduló hıenergiát égéshınek (Eégés) nevezik. A nagyságát kilokalória (kcal) per gramm-ban fejezik ki. 1 kcal/gramm = 4,1868 kJ/g. A fı metabolikus üzemanyagok égéshıi (kcal/g-ban vagy kJ/g-ban) Üzemanyag kcal/g Szénhidrát (glükóz, glikogén, stb.) 3,8-4,0 Zsírsavak 9,0-9,1 Ketontestek (acetoacetát, hidroxi-butirát) 4,0 Aminosavak (átlagosan) 4,0-4,1
kJ/g 15,9-16,7 37,7-38,1 16,7 16,7-17,2
Az üzemanyagok szervezeti raktárai (endogén tápanyagok) Egyes állati szervezetek alig tartalmaznak raktározott tápanyagokat. Mivel azonban a sejtjeik folyamatosan fogyasztják a tápanyagokat, ezért ezeknek az állatoknak folyamatosan táplálkozással kell pótolniuk az elhasznált üzemanyagokat. A folyamatos táplálkozás miatt ezeket az állatokat „majszolók”-nak nevezik. Ilyenek fıleg a növényevı legelı állatok. Más állati szervezetek viszont kisebb-nagyobb szervezeti tápanyag-raktárakkal rendelkeznek. Ezekben a sejtek által elfogyasztott üzemanyagokat nem feltétlenül kell táplálkozással folyamatosan pótolni a külvilágból, mert az étkezések szüneteiben a belsı tápanyag-raktárak látják el a sejtjeiket azonnal felhasználható üzemanyagokkal. Ezért ezek az állatok az „étkezık”: a nagyobb táplálkozási aktivitásaikat rövidebb-hosszabb táplálkozási szünetek választják el, és a külsı tápanyagok hozzájutását az étkezés mintázata szabja meg, míg az étkezési szünetekben a sejtjeik az endogén raktárakból nyerik az üzemanyagaikat. Étkezık a ragadozók és a mindenevık némelyike (köztük az ember is). Pl. az oroszlán egyegy nagyobb falás után akár 2-3 napot is kibír újabb táplálkozás nélkül; egyes óriáskígyók a zsákmány bekebelezése után 2-3 hétig is kibírják újabb evés nélkül. Az ember is étkezı; az étkezések közti szünetek lehetnek akár több naposak is (bár a civilizáció társadalmaiban hozzászoktattuk magunkat a napi többszöri étkezéshez; sıt, az étkezések ritmusa vált az emberben a legfontosabb idızítı és ritmusszabályozó tényezıvé). 1. Szénhidrátok Az emlısökben a véráramban keringı glükóz az egyik fı üzemanyag. A sejtek glükózellátásának egyik aspektusa, hogy mennyi glükóztranszporter (GLUT) van a sejtek plazmamembránjában. • A GLUT1 általában minden sejt membránjában jelen van konstitutívan („háztartási” transzporter), míg • a GLUT4 plazmamembránbeli mennyisége több sejttípusban (zsírsejtek, izomrostok és sejtek) az inzulin hatásától függ. ⇒ A sejtek megfelelı glükózellátása függ: • a vérplazma glükózkoncentrációjától (a „vércukorszinttıl”) (fıleg a GLUT1-gyel rendelkezı sejtekben (idegrendszer, máj, vérsejtek), és • a vérben keringı inzulin hatásától (koncentrációjától és mőködı receptoraitól) (fıleg a GLUT4-gyel rendelkezı sejtekben). Az állati szervezetek sokféle mechanizmust használnak fel arra, hogy a vérplazmájuk (vagy hemolimfájuk) glükózszintjét a megfelelı értéken tartsák a tápcsatornából történı felszívódás és a raktárakból kilépés és oda belépés szabályozásával. A szénhidrátok az állati szervezetekben elsısorban glikogénként raktározódnak
• • • • •
fıleg a vázizomban, a májban, a vékonybélben, de kisebb mértékben sok más szövetben is. A glikogénraktárak az idegszövetben és a vérsejtekben nagyon kicsik, illetve nincsenek. Csak azok a sejtek tudják a glikogénbıl a glükózt a vérbe juttatni, amelyek rendelkeznek glükóz-6-foszfatáz enzimmel, amely a glükóz-6-foszfátból le tudja hasítani a foszfátcsoportot, hogy a glükózt a megfelelı transzporter kijuttassa a sejtbıl. (a foszforiláélt glükóz nem tudja elhagyni a sejteket). Ilyen sejtek vannak • a májban, • a vékonybélben és • a vesében. Ezek gondoskodnak tehát arról, hogy fokozott fogyasztás esetén se süllyedjen le nagyon a vérplazma glükózszintje (mert akkor az idegrendszer és a vérsejtek nem jutnak elégséges mennyiségő glükózhoz). A máj, a vékonybél és a vese egyes sejtjei akkor is tudnak glükózt bocsátani a vérbe, ha glikogéntartalékaik már kimerültek. Ilyenkor a glükóz glükoneogenezissel képzıdik bennük • a fehér zsírszövetben levı triacil-glicerinek hidrolízise nyomán képzıdött glicerinbıl (fıleg a májban), • az izmokból származó glükogén aminosavakból (100 g fehérje mintegy 60 g glükózt szolgáltat) és • az izmokból származó tejsavból, piruvátból vagy alaninból. ⇒ A fehér zsírszövet, az izmok, illetve a máj, a vese és a vékonybél sejtjeinek anyagcseréje a véráram közvetítésével így nagy metabolikus ciklusokká záródik. Az emberi szervezetben raktározott szénhidrátok mennyisége Szövet Térfogat vagy tömeg Koncentráció Összes mennyiség Vér glükóz 6 liter 80 mg/dl 5g E.C. glükóz 15 liter 80 mg/dl 12 g Máj glikogén 1,6 kg 2-10 % 30-150 g Izom glikogén 21,0 kg 0,3-2,0 % 60-400 g Más szövetek 5-6 kg nem ismert 25 g (becslés) Potenciális szénhidrát triacil-glicerinbıl: 17 kg triacil-glicerinbıl 1,7 kg glükóz fehérjékbıl: 9 kg szöveti fehérjébıl 5,5 kg glükóz. 2. Zsírok Egy átlagos 70 kg-os férfiban a testtömeg kb. 25 % (= 17,5 kg) a zsírszövet. Egy átlagos 60 kg-es nıben a testtömeg 35 %-a (=21 kg) a zsírszövet. Mivel a zsírszövet csak kb. 10 % vizet tartalmaz, ezért az zsírok égéshıje a 9 kcal/g helyett csak 9.0,9 kcal/g = 8 kcal/g tiszta triacil-glicerinre vonatkoztatva.Az átlagos férfi kb. 135 000 kcal, az átlagos nı mintegy 165 000 kcal energiát raktároz a zsírszöveteiben. 3. Fehérjék Az emberi szervezet sejttömege mintegy 25 % vizet tartalmaz és 75 % szárazanyagot; ennek egyharmada a fehérje. ⇒ A szervezet sejttömegének égéshıje így kb. 1 kcal/g.
A szervezet tömegébıl csak 40 % a szövetek tömege (60 % meg víz). A sejttömegnek maximálisan csak egyharmada mozgósítható energiafelszabadításra. Ezért egy emberi szervezet fehérjéiben 0,4 x 70 kg x 1/3 x 1 kcal/kg energia, azaz kb. 9 000 kcal hasznosítható energia van maximálisan. A metabolikus üzemanyagok és a légzési hányados (RQ) Amikor a szervezetben a metabolikus üzemanyagok felhasználódnak energiatermelésre, akkor a vegyületek molekulái oxidálódnak, a tápanyagokban vagy az üzemanyagokban levı szénatomok CO2-dá, a hidrogénatomok vízzé (H2O) alakulnak át. A szénhidrátok és a zsírsavak esetében ezek az oxidációs reakciók sztöchiometriailag (kvantitatívan) felírhatók: C6H12O6 + 6 O2 —→ 6 CO2 + 6 H2O vagyis 1 mól glükóz eloxidálása 6 mól CO2-ot termel, amihez 6 mól O2 fogy el: C16H32O2 + 23 O2 —→ 16 CO2 + 16 H2O vagyis 1 mól palmitinsav eloxidálásához 23 mól O2 szükséges, miközben 16 mól CO2 termelıdik. Az O2-felvétel és a CO2-kibocsátás mérése túlélı szövetekben, állati szervezetben vagy az emberben lehetıvé teszi, hogy kiszámoljuk a termelt CO2 és az elfogyasztott O2 móljainak (vagy azonos körülmények között mért térfogatainak) arányát, az ún. légzési hányadost (respirációs kvócienst, RQ-t). Látható, hogy a glükóz elégetése során RQ = 1, míg a palmitinsav eloxidálásakor RQ = 16/23 = 0,7. Mivel minden eloxidált anyag esetében sajátos és rá jellemzı az RQ érték, ezért az RQ mérése integráltan tartalmazza, hogy milyen anyagokat milyen arányban oxidál a szervezet az adott idı alatt. ⇒ A mért RQ értékbıl meghatározható az oxidált zsírok és szénhidrátok aránya, a nemfehérje RQ. Ha pl. a szervezet x mól glükózt és y mól palmitinsavat oxidál, akkor (6x + 16y)/(6x + 23y) = mért RQ és x.Msglükóz.Eglükóz + y.Mspalmitinsav.Epalmitinsav = összes energiaigény. E két egyenletbıl x és y meghatározható. Ezt a számítást nevezik indirekt kalorimetriának, szemben a hıtermelés közvetlen mérésével, a direkt kalorimetriával. A fehérjék aminosavainak oxidációja bonyolult és nehezen írható le sztöchiometriai egyenletekkel. Ám a megfelelı korrekció mégis megtehetı, ha a vizeletben a fehérjék aminosavainak lebomlásából származó N-kibocsátást megmérjük, és ebbıl kiszámítható az elbontott fehérjék mennyisége. A mért N g-atomtömege szorozva 6,25-tel megadja azt a fehérjemennyiséget, ami a kibocsátott N-t tartalmazta (mert a fehérjék átlagosan 16 %-a N). Ezt beszorozva az aminosavak átlagos égéshıjével, megkapjuk, hogy mennyi energiához jutott a szervezet a fehérjék lebontásából. A fehérjék oxidatív lebontásakor a becsült RQ ~ 0,8. (1 g vizeletbeli N képzıdéséhez 5,93 liter O2 használódik fel és 4,754 liter CO2 termelıdik.) A metabolikus üzemanyagok felhasználása
Az ember étkezı típusú táplálkozást folytat, vagyis a táplálékfelvétel nem folyamatos, hanem szünetekkel megszakított. Bár a jóléti társadalmakban az egyes táplálékfelvételek közötti idıszakaszok viszonylag rövidek az ébrenlét óráiban, azért az egyének többsége 6-8 órán át nem vesz fel táplálékot éjszaka. Az anyagcsere és az üzemanyagok felhasználásának bármiféle elemzése tekintetbe kell vegye ezt a táplálkozási—éhezési ciklust. A táplálkozás alatt és röviddel utána a szövetek által felhasznált metabolikus üzemanyagok egészen eltérık az éhezés ideje alatt felhasználtaktól. A táplálkozás ideje alatt és hamarosan azt követıen is a sejtek által felhasznált üzemanyagok közvetlenül a bekebelezett, megemésztett és felszívódott tápanyag-molekulákból erednek, míg az éhezés során viszont a tápanyag-raktárakból mobilizált üzemanyagok kerülnek felhasználásra. ⇒ Ezért hasznos a táplálkozás—éhezési ciklus és a tartós éhezés különbözı állapotait néven nevezni és meghatározni. 1. A preabszorptív szakaszban a potenciális táplálék még a külvilágban van, meg kell szerezni. A zsákmányejtés és a bekebelezés után a lenyelés következik, majd a táplálék molekuláinak emésztése az emésztınedvek segítségével. A középbélben (vékonybélben) azután megkezdıdik a következı szakasz, a 2. felszívódási (abszorptív) szakasz, aminek során a táplálékból felszabadított hasznos anyagok a szervezetbe kerülnek a tápcsatorna falán keresztül. Az e.c. folyadékba jutott anyagok már tápanyagok, és a sejtek közvetlenül (további átalakítás nélkül) felvehetik azokat. Ebben a szakaszben az e.c. folyadék tápanyagés metabolitszintje magasak, meghaladják az éhezési szinteket. Ez a szakasz addig tart, amíg a táplálék anyagaiból a szervezetbe került tápanyagok szintje a vérben már éppen elkezd süllyedni. Ekkor kezdıdik meg a 3. posztabszorptív szakasz, aminek során külvilági eredető táplálék nem kerül a tápcsatornába és így onnan tápanyag-utánpótlás nincsen. Ilyenkor a szervezet sejtjei az endogén tápanyagokat használják fel. Ha ez a szakasz már jelentıs ideje (emberben az utolsó étkezés után mintegy 3 nap múlva) tart, akkor kezdıdik meg az éhezés. Az éhezés ideje alatt az e.c. folyadék (vérplazma) tápanyagszintjei már nem süllyednek jelentısen, a szervezet sejtjei még megkapják a nekik megfelelı minsıségő és mennyiségő tápanyagokat és metabolitokat. Amikor az éhezés tartóssá válik, akkor a sejtek némelyike már nem kap minden szempontból kielégítı metabolit-utánpótlást: vagy minıségileg, vagy mennyiségileg már nem tökéletesen kielégítı az üzemanyag-ellátása egyes sejteknek. Emberben az a szakasz kb. 2-3 hétig tart. Ebben a fázisban az anyagcsere intenzitása csökkenni kezd. Ezt követıen – ha továbbra sincs külvilági eredető táplálék felvétele – akkor az endogén raktárak egyike-másika kimerül, egyes alapvetı tápanyagok és metabolitok nem jutnak el a sejtekhez. Ezért az anyagforgalom szempontjából ez már a terminális fázis, amit a halál (pusztulás) követ, mert a szervezet már nem tudja a homeosztázisát fenntartani. Mivel a külvilágból felvett táplálék feldolgozása a felszívódásig (abszorpcióig) tart, a preabszorptív szakaszban zajló események is feloszthatók több fázisra annak megfelelıen, hogy mi zajlik a szervezet táplálékfeldozása során. Ebbıl a szempontból a viselkedés és a tápcsatorna folyamatai a lényegesek. Amikor a táplálék még a külvilágban van, de a szervezet már tudomást szerzett róla, akkor kezdıdik meg a táplálékfeldolgozás kefalikus fázisa. Ekkor az állat már érzékeli a táplálékát: látja, szagolja, majd ízleli is. A táplálákkal kapcsolatos információ még a fej közelében levı érzékszervekben és az idegrendszerben dolgozódik fel. De e feldolgozás eredményeképpen a tápcsatorna már elıkészül a felveendı táplálék feldolgozására: fokozódni kezd az emésztınedvek (nyál, gyomornedv, bélnedv, hasnyál és epe) termelése és fokozódnak a tápcsatorna mozgásai is. Az idegrendszerbıl ezeket a hatásokat a bolygóideg idegrostjai
közvetítik a tápcsatorna felé (ahogy ezt már I.P. Pavlov óta sokan megállapították). A bolygóideg átmetszésével ezek az elıkészületi aktivitások elmaradnak. A táplálék bekebelezésével és a tápcsatornába juttatással érkezünk a prandiális fázisba, ami a kefalikus fázis végét jelenti. Amint a falat leér a gyomorba, ismét fokozódik a gyomornedv, a hasnyál és az epe termelése és megint intenzívebbé válnak a tápcsatorna bizonyos mozgásai. A preabszorptív szakasznak ezt a gasztrikus (gasztrális) alfázisát már a tápcsatorna közvetlen fizikai és kémiai ingerlése váltja ki, és idegi reflexes, valamint hormonális úton közvetítıdik a gyomorhoz, a belekhez, a hasnyálmirigyhez és a májhoz. Ahogy a kimusz a gyomorból a vékonybélbe kerül, megkezdıdik a preabszorptív szakasz ún. intesztinális (enterális) alfázisa. Ekkor a gyomormőködés kezdetben még fokozódik, majd hamarosan mérséklıdik és alacsony szintre áll be; a belek, a máj, a hasnyálmirigy mőködései megint fokozódnak, hogy az emésztés funkciójának és a felszívódásnak, majd a tápanyagok feldolgozásának munkájához hozzákészülıdjenek. E fázis történéseit a bélcsatorna közvetlen fizikai és fıleg kémiai ingerei váltják ki, és relexesen, illetve hormonális úton kezvetítıdik a végrehajtó simaizmokhoz és tápcsatorna-mirigyekhez. A gasztrikus, az intesztinális és az abszorptív szakasz együttesen egybeesik a viselkedési posztprandiális fázissal, amikor a vérplazmában a tápanyagok és metabolitok szintje emelkedik, illetve magasan az éhezési szint fölött van. A gyomornak, a vékony- és vastagbélnek, a hasnyálmirigynek és a májnak ezt a koordinált mőködésváltozásait nevezik gasztro—entero—pankreato—hepatikus (GEPH) kölcsönhatásnak. A résztvevık közötti hatásokat részben a bélidegrendszer, részben a vegetatív idegrendszer, részben pedig as tápcsatorna hormonjai (gasztrin, szekretin, kolecisztokinin, gyomorgátló peptid – amely valójában inkább inzulinotróp peptid stb.) közvetítik. Ezek révén a szervezet elıkészül a különbözı összetételő táplálékokból eredı különféle tápanyagok fogadására és feldolgozására úgy, hogy az abszorptív fázisban megérkezı nagy mennyiségő tápanyag ne veszélyeztesse a szervezet metabolikus és ozmotikus homeosztázisát. (A hirtelen felszívódó nagy mennyiségő tápanyag ozmotikus sokkot okozhatna, ha egyszerre gyorsan mind felszívódna; ugyanígy hipotóniás sokkot idézhetne elı nagy mennyiségő víz elfogyasztása is.) Ha pl. a táplálék nagy mennyiségő szénhidrátot tartalmaz, akkor a tápcsatornában levı glükóz-, lipid- és aminosavreceptorok izgatása az endokrin sejtekbıl több bélhormon ürítését fokozza (köztük a gyomorgátló peptidét) —→ ezek már elıre serkentik (elırecsatolással) a hasnyálmirigy szigetszerveinek B-sejtjeibıl az inzulin elválasztását ⇒ eme elırecsatolás miatt a felszívódáskor a vérben a glükóz szintje csak lassan emelkedik, mert az inzulin hatására az inzulinfüggı sejtek már veszik is föl, és nem ér el olyan magasságot, mint az inzulin hatása nélkül. Ha a táplálék nagy mennyiségő fehérjét tartalmaz, akkor nagyon nagy mennyiségő aminosav fogja elárasztani a szervezetet. Az aminosavak a vérben szintén serkentik az inzulin elválasztását (különösen az Arg) ⇒ az aminosavak vérbe áramlásának hatására a vérben kritikus érték alá süllyedne a vér glükózszintje → a szimpatikus idegrendszer aktiválódna, hogy ellássa az idegrendszert a raktárakból felszabadított glükózzal. Ezt azonban kivédi az a hatás, hogy ekkor a tri-, dipeptidek és az aminosavak hatására a felszabadított bélhormonok mintázata megváltozik: kissé csökken az inzulinotróp GIP vérbe bocsátása, de növekszik a kolecisztokininé, a szekretiné és másoké , amelyek erıteljesen serkentik a glukagon elválasztását a szigetszervek A-sejtjeibıl. ⇒ A nagy mennyiségő aminosav beáramlása mégsem vezet a vér glükózszintjének lesüllyedéséhez, mert ezt a már elıre fokozottan elválasztott glukagon kivédi. Az étkezıkben – akik tehát nagy adagban veszik magukhoz a táplálékot és ezért rengeteg tápanyag szívódik fel egyszerre a tápcsatornájukból a szervezetbe – a felszívódást
fékezi a vékonybél által termelt szomatosztatin (SS vagy SOM), ami a hasnyálmirigy szigetszervek D-sejtjeibıl kibocsátott szomatosztatinnal együtt fékezi a tápanyagok vérbeli szintjeinek túlzott felemelkedését. Elnyújtottabbá teszi a tápanyagok szervezetbe érkezését. A szigetszervek D-sejtjeibı ürülı SOM ráadásul - parakrin kommunikció útján - mérsékli mind az inzulin, mind a glukagon elválasztását. A metabolikus üzemanyagok raktározásának és mobilizációjának hormonális szabályozása 1. Az abszorptív (posztprandiális) szakaszban a vér inzulinszintje emelkedett, mert az inzulin elválasztását serkentik a vena portae hepatisban megemelkedett tápanyagszintek (fıleg a glükózé és egyes aminosavaké). Ezzel szemben a hasnyálmirigy Langerhans szigetszerveinek α sejtjeibıl származó glukagon szintje a vérben alacsony, mert annak szekrécióját a magas vérbeli glükózszint elnyomja. ⇒ Az abszorptív (posztprandiális) fázisban tehát az inzulin a domináns hatású tápanyagfeldolgozó hormon, és a hatására a táplálkozási—éhezési ciklus tápanyag-raktározási fázisa mőködik: • a nagy mennyiségő bejutott glükóz lesz a fı üzemanyaga az izmoknak és több szövet sejtjeinek, míg a fel nem használt fölösleges glükóz nagyobb része a zsírszövetben átalakul triacil-glicerinekké és ott raktározódik; • a fölösleges glükóz másik része a májban, az izmokban és a vékonybél sejtjeiben glikogénné alakul át; • a táplalék-eredető zsirok a kilomikronokból felvevıdnek a szövetekbe, mert az inzulin serkenti a lipoprotein-lipáz aktivitását, így sok szövet zsírsavakat oxidál; • a fel nem használt kilomikronok lipidjeit a máj felveszi, átcsomagolja VLDL-be és a véráram útján a fehér zsírszövetbe szállítódik, ahol raktározódik; • sok sejt az inzulin hatására fokozottan vesz fel aminosavakat, és azok némelyik szövetben (pl. a májban és az izomban) fehérjék formájában raktározódnak; • a táplálék eredető aminosavak fölöslegének egy részébıl a szubsztrátunyomás hatására glükóz képzıdik a májban, ami glikogénné alakulhat. 2. A posztabszorptív állapotban a vérplazma tápanyagszintjei süllyednek, mert a sejtek fogyasztják a tápanyagokat. Emiatt az inzulin szekréciója mérséklıdik, visszatér az alapszintre. Ezért a tápanyagok raktározása megszőnik. A tápanyagszintek süllyedése miatt aktiválódik a tápanyag-mobilizáló hormonok (elsısorban a glukagon) szekréciója. Ennek következtében a máj glikogénje lebomlik glükózzá, amit a máj a vérbe bocsát ⇒ emiatt a vér glükózszintje nem süllyed a várt mértékben. Ha az éhezés tartós, fokozódik az aminosavakból a glükoneogenezis a glukagonnak a májra gyakorolt hatása következtében ⇒ a vér glükózszintje ekkor sem süllyed észrevehetı mértékben. Késıbb a vese is fokozza aglükoneogenetikus aktivitását, segítve ebben a májat. A glukagon, az ACTH, a kortizol és a szimpatikus idegrendszer aktivációja következtében a posztganglionáris idegvégzıdésekbıl kiszabaduló noradrenalin hatására mobilizálódnak a zsírsavak (FFA) a zsírszövetbıl. A zsírsavak oxidációja lesz sok szövetben a glükózoxidáció helyettesítıje üzemanyagként (fıleg az izmokban). ⇒ Ez az üzemanyagváltás megmenti a glükózt a vérsejtek és az idegrendszer számára (az utóbbi nem tudja a zsírsavakat üzemanyagként felhasználni. Ha az éhezés már nagyon hosszú ideje tart, akkor a szervezetben az inzulin hatása már alig érvényesül ⇒ az inzulintól függı szövetek alig jutnak glükózhoz. → A vérben megemelkedik a szabad zsírsavak (FFA) szintje → a fölös zsírsavakból a máj fokozza a savas
kémhatású ketontestek (acetoacetát és hidroxi-butirát) termelését). A zsírsavak mellett ezek lesznek a fı üzemanyagai az izmoknak. Emberben az éhezés második hete után az idegrendszer is elfogadja a ketontesteket üzemanyagként ⇒ ez megspórol jelentıs mennyiségő glükózt és ezáltal aminosavat a szervezetnek (nincs szükség veszélyes mennyiségő aminosav-fogyasztásra). Ha a posztabszorptív fázisban az idegrendszer nem kap megfelelı mennyiségő glükózt (és O2-t), akkor aktiválja a szimpatikus idegrendszeri kimenetét → a noradrenalin fokozott ürülése az idegvégzıdésekbıl számos anyagcsere-átállítást végez: • erısíti a glukagon glükoneogenetikus hatását ⇒ fokozódik a májban a glükóztermelés; • meggátolja a hasnyálmirigy szigetszerveiben az inzulin elválasztását ⇒ a zsírszövet és az izom még kevés glükózt sem tud felvenni, ezért a termelt glükóz az idegrendszernek (és a vérsejteknek) jut (az idegrendszer mintegy „endogén glükózinfúziót” ad magának); • fokozza a zsírszövetbıl a szabad zsírsavak kiáramlását (amivel a fentebb említett hatásokat fokozza). A metabolikus üzemanyagok közti versengés az oxidációért Minden metabolikus üzemanyag végül is a Szent-Györgyi—Krebs-féle citrátciklusban oxidálódik el CO2-dá, miközben a légzési elektrontranszportlánc mőködése kapcsán H2O képzıdik, és ennek kapcsán az ADP oxidatívan foszforilálódik ATP-vé. Az a sebesség, amellyel a citrát-ciklus és az oxidatív foszforiláció ellátja a sejtet ATPvel, közvetlenül az ATP-felhasználás sebessége által szabályozódik (az ATP gátolja, az ADP és az AMP serkenti az oxidációkat). Ha az ATP-felhasználás sebessége csökken, minden üzemanyag oxidációjának sebessége is csökken. Mivel az összes üzemanyag oxidációjának végsı anyagcsereútja közös (a citrátciklus), ezért az üzemanyagok között versengés jön létre a közös kofaktorokért: a KoÁ-ért, a NAD-ért és a FAD-ért, valamint az enzimek átalakítási kapacitásáért. Az idegrendszer kivételével a nagy mennyiségő metabolikus üzemanyagot használó szövetek preferenciálisan szabad zsírsavakat oxidálnak, mivel • a szabad zsírsavak fékezik az inzulin hatását; • a zsírsavak β-oxidációjából származó acetil-KoA magas szintje lekapcsolja a szénhidrátok oxidációját a piruvátdehidrogenáz lépésnél; • a piruvátdehidrogenáz acetil-KoA általi blokkolása csökkenti az aminosavakból származó szén metabolikus üzemanyagkénti felhasználását is A tartós éhezés túlélésének képessége Egy emberben egy éjszakai posztabszorptív szakasz végén a glükoneogenezis aminosavakból szolgáltat elegendı glükózt. Ha az éhezés folytatódik, akkor az elsı 3 nap alatt az aminosavakból történı glükoneogenezis fokozódik, majd csökken (ez megítélhetó a vizeletbeli N-kiválasztásból), majd a vizeletbeli N-kiválasztás tartósan azon a szinten marad, ami a kötelezı N-kibocsátás közelében van akár 30 napos éhezéskor. Az, hogy a fehérjéknek metabolikus üzemanyagként felhasználása csökken, alapvetıen fontos a tartós túlélés számára, mert a fehérjék zöme a szervezet „enzimatikus gépezete” és „gyártósorozatait” képviselik ⇒ ezért csak bizonyos mértékig veszíthetık el a homeosztázis veszályeztetése nélkül. Az éhezés folytatódásával az aminosavakból történı glükózújraképzıdés azért is csökken, mert a szabad zsírsavak egyre jobban mobilizálódnak és oxidálódnak a vérplazma
alacsony inzulinszintje miatt. A szabad zsírsavak mobilizációja kontrollálatlan és addig tart, amíg a triacil-glicerin raktárak mennyisége ezt lehetıvé teszi. A zsírsavoxidáció fokozódó intenzitása miatt a májban az acetil-KoA magas szintje egyre jobban fokozza a ketontestek termelését (a ketogenezist), miközben a ketontesteket oxidálni tudó vázizmok és a szívizom aktivitása csökken ⇒ a ketosavak (acetoacetát és hidroxi-butirát) koncentrációja a vérplazmában emelkedik. A ketogenezis maximális sebességő lehet már az éhezés 3. napja táján. Az éhezés 2. hete után az idegrendszer is elfogadja már üzemanyagként a ketontesteket (amikor ezek vérplazmaszintje már eléggé magas). Az éhezés 20. napja körül – még nem ismert okból – a váz- és a szívizomzat teljesen átáll a zsírsavak üzemanyagkénti felhasználására, ezzel több ketontestet hagyva az idegrendszernek. Ekkorra az idegrendszer a felhasználható energiájának már 50 %-át nyeri a ketontestek oxidációjából. Ha az éhezés még ennél is tovább tart, akkor az elfogyó szabad zsírsavak és ketontestek pótlására megint fokozódik az aminosavakból történı glükoneogenezis (megint nı a vizeletben a N-kiválasztás). Ekkor azonban a szervezet már életfontosságú fehérjék lebontásához is hozzáfog (megjelennek a vizeletben a váz- és szívizom kontraktilis fehérjéibıl származó aminosavtermékek, pl. a miozinból eredı Met-His). Ez a szakasz már a terminális fázis, mert további fennállása a homeosztázis veszélyeztetése miatt halálhoz vezet.
AZ EGYES SZÖVETEK SPECIÁLIS ANYAGCSERÉI
A szervezet egyedfejlıdés során zajló differenciációja következtében a sejtek és szövetek specifikus funkciójúakká válnak: a géntermékek különbötı mintázatban vannak jelen az egyes szövetekben és sejtekben (más a sejtek és szövetek proteomja). Ennek következtében a különbözı sejttípusok metabolikus aktivitási mintázatai (a metabolomjai) is eltérık lesznek, és az üzemanyagok molekuláit is eltérı mértékben használják föl. Sok szövet anyagcsere-intenzitása nagyon nagyot tud változni a funkciók sebességeinek változásaival (pl. az izom nyugalomban, illetve munkavégzés során), de az anyagcsere szakaszainak (fázisainak) változásaival összefüggésben is. A máj A máj (hepar) a gerinces szervezet legfontosabb és legkomplexebb „kémiai laboratóriuma”: szinte mindenféle reakció zajlik benne, persze eltérı intenzitással a különbözı anyagcsere-fázisokban. Vérellátása és speciális funkciói A máj két forrásból kap vérellátást: • artériás vért kap az arteria hepaticából, és • vénás vért kap a vena portae hepatison át, amely a vért a tápcsatornából, a lépbıl és a hasnyálmirigybıl hozza. Ez a vénás vér tartalmazza a külvilágból eredı (exogén) éppen felszívott tápanyagok nagy részét. Viszont az exogén lipidek nagy része (a kilomikronok) a nyirokrendszerbıl a ductus hepaticuson át az artériás vérrel jut a májhoz. A máj parenchimasejtjeit (a hepatocitákat) vérszinuszoidok hálózata járja át. A vérszinuszoidok vére a vena centralisba jut, majd a lebenyek vena centtralisaiból a vér a vena
hepaticába szedıdik össze.. A vérszinuszoidokat Kupffer-féle sejtek határolják, amelyek lényegileg fagociták. A máj speciális metabolikus funkciói közül a legfontosabbak: • inzulin hatása nélkül is képes felvenni glükózt a vérbıl, és ennek nagy részét glikogénbe beépíti (glikogenezis; ezt már elısegíti az inzulin); • a glikogént képes lebontani glükóz-6-foszfáttá (glikogenolízis), és a a foszforilált glükózt defoszfatálni is tudja, így a glükózt ki is tudja bocsátani a vérbe (glukagon, adrenalin, noradrenalin, kortizol hatására) ⇒ a máj a vércukorszint szabályozásának legfıbb tényezıje (nem magát a glükózszintet szabályozza, hanem a glükóz be- és kilépésének sebességeit); • a máj képes a monoszacharidokat egymásba átalakítani (galaktózt és fruktózt glükózzá és fordítva); • képes kivitelezni a glikolízis mellett a glükóz direkt oxidációját (a pentózfoszfát söntöt) is; ez a glükózlebontásnak akár 30 %-a is lehet az emberben (az inzulin mindkettıt fokozza); • legalább 3 szénatomos metabolitokból (tejsav, piruvát, alanin, glükogén aminosavak, glicerin) képes glükózt elıállítani (glükoneogenezis; a folyamatot a glukagon, a kortizol fokozza); • a zsírszövetbıl származó glicerint fel tudja venni és foszforilálni tudja glicerin-3foszfáttá (mivel rendelkezik glicerinkináz aktivitással); • a glicerin-3-foszfátból és a zsírsavakból, illetve valamilyen aminosavból vagy aminoalkoholból képes triacil-glicerineket, illetve foszfoglicerideket termelni (lipogenezis; e folyamat elsı lépését is serkenti az inzulin, de mérsékli a növekedési hormon); • a posztabszorptív fázisban ketontesteket termel (ketogenezis) a fölösleges zsírsavak lebontása során); • a kilomikron-maradékok lipidjeit átcsomagolja VLDL részecskékbe és újra a vérbe bocsátja (ezek kerülnek majd a zsírszövetben raktározásra; ezt a folyamatot serkentik az ösztrogének); • a VLDL maradékok lipidjeit ismét átcsomagolja LDL-be (az ebben levı koleszterin jut a sejtekbe); • a máj fel tud venni aminosavakat a hepato-portális vérplazmából (kivéve az elágazó oldalláncúakat) (egyes aminosavak felvételét az inzulin, másokét a glukagon fokozza, de modulálják a glükokortikoidok, az ivari hormonok, a pajzsmirigyhormonok és a mellékvesevelı katekolaminjai is); • képes bizonyos raktározó funkciójú fehérjéket aminosavakká bontani és azokat a véráramba juttatni (ezt az auto- és heterofágiát a glukagon indukálja); • számos aminosavat transzaminálással egymásba tud alakítani; • oxidatív dezaminálással le tudja választani az aminosavakról az aminocsoportot NH3 formájában; • a képzıdött ammóniát nem-mérgezı termékké (karbamiddá) tudja alakítani és azt a vérbe juttatja; • eltávolítja a vérbıl a különféle sejtek anyagcseréinek hulladéktermékeit és potenciálisan veszélyes vegyületeit (hormonokat, mérgeket, gyógyszereket). Ezek egy részét átalakítja metabolikus üzemanyaggá vagy olyan vegyületekké (oxidációval, hidroxilációval, metilációval, konjugációkkal), amelyek már biztonságosan kiválaszthatók a vizeletbe vagy a székletbe (xenobiotikumok átalakításai); • szintetizálja és a vérbe bocsátja a vérplazmafehérjéket (kivéve az immunglobulinokat); • termeli az epesavakat (a koleszterinbıl) és kiválasztja az epébe;
•
felnıtt állatokban hidegben extra hıt tud termelni.. Posztprandiális anyagforgalma
A máj az elsı szerv, ahová a tápanyagokkal teli vér megérkezik a vékonybélbıl a táplálkozást követı felszívódás után. Ebbıl a vérbıl kivonja mindazon anyagokat, amelyekre szüksége van, még mielıtt azok más szöveteket elérnének. A fölos mennyiségő glükózt az inzulin hatása alatt glikogénbe építi be. Ehhez hozzájárul a táplálék aminosavaiból képzıdött glükóz is. A májban a fehérjék kicserélıdése igen gyors. A beérkezı aminosavak készletének tekintélyes része felhasználódik a májban a saját enzimatikus gépezetének és a vérplazmafehérjéknek a szintézisére. A glükóz egy része átalakul zsírsavakká az inzulin hatása alatt, és ezek a zsírsavak felhasználódhatnak foszfolipidek szintézisére is. A szintetizált foszfolipidek lipoproteinek (VLDL, LDL) formájában exportálódnak más szövetekbe. Éhezési anyagcseréje Éhezéskor az egyik fı szerepe, hogy meggátolja a vér glükózszintjének süllyedését (mert akkor az inzulintól nem függı szövetek – idegrendszer, vérsejtek - glükózellátása romlana). Ahogy az éhezés során az inzulin/glukagon arány csökken, úgy a máj glikogénje lebomlik glükózzá és a a glükóz a vérbe bocsátódik. Ahogy a glikogénraktárak fogynak, úgy fokozódik a glükoneogenezis sebessége: a glicerin, a laktát, a piruvát, az alanin, a glutamin stb. egyre nagyobb értékben válik glükózforrássá. A zsírszövetbıl a lipolízissel kiszabadult szabad zsírsavak fölöslege újraészterzıdik a májban, lipoproteinekbe (VLDL, LDL) épül, és visszakerül a zsírszövetbe, ahol raktározódik (amikor az inzulinszint megint növekszik). A zsírsavak oxidációjából származó acetil-KoÁ-t fokozódó mértékben építi ketontestekbe. A ketontesteket a vérbe bocsátja. A vázizomzat A szervezet egyik legnagyobb metabolikus üzemanyag- és oxigénfogasztója. A nagy tömegének köszönhetıen a szervezet összes O2-fogyasztásának több mint 60 %-áért felelıs még az alap nyugalmi állapotban is. Fizikai munkavégzéskor az anyagcsere-intenzitása és O2fogyasztása az alapértéknek akár 30-szorosára is nıhet néhány másodpercen belül. A vázizomzat fı funkciója a rostjainak összehúzódásával és elernyedésével a váz (fıleg csontok) mozgatása. A vázizomzat (a többi zomhoz hasonlóan) kemo—mechanikai gépezet: a kémiai energiát (végsı soron az ATP hidrolízisének energiáját) mechanikai erıkifejtésre használja fel (mintegy 20-25 %-os hatásfokkal). Bizonyos körülmények között (hidegben) azonban a kemo—mechanikai átalakítás hatásfoka majdnem nullára is leeshet, és az izomzat ekkor extra hıt tud termelni. Az izomrostok típusai A harántcsíkolt izom kontraktilis izomrostjai alapjában kétféle típusúak lehetnek: fehérek és vörösek. • A vörös izomrostoknak nagy mennyiségő szarkoplazmájuk van, sok sejtmagvuk, sok mitokondriumuk, több mioglobinjuk és több zsírcseeppecskéjük van, mint a fehér
izomrostoknak. Lassabban húzódnak össze, de a kontrakciójuk hosszabb ideig tart, mint a fehér rostoké. Tartós mőködésre azért képesek, mert jó a vér- és oxigénellátásuk, ami szükséges is, mert inkább oxidatív anyagcserét folytatnak. Anyagcsere szempontjából háromféle izomrostot különböztethetünk meg: 1. A gyors rángású fehér izomrostok légzési intenzitása alacsony, de magas bennük a glikolízis, ami tejsavas erjedésben fejezıdik be. Magas a miozin ATPáz aktivitásuk (ezért gyors és erıs a kontrakciójuk). 2. A gyors rángású vörös izomrostok magas légzési és magas glikogenolitikus aktivitásúak, magas a miozin ATPáz aktivitásuk is. 3. A lassú rángású vörös izomrostok intenzív légzésőek, a glikogént viszont csak lassan bontják; a miozin ATPázuk aktivitása kicsi (ezért lassú a rángásuk és kis erıkifejtésre képesek). Posztprandiális anyagcsere A vázizomzat fı üzemanyaga a glükóz, de részben a zsírsavak is (az oxidatív típusokban). Ebben a fázisban az inzulinszint magas, ami • serkenti a glükóz belépését az izomrostokba (ezt serkenti még a növekedési hormon és erıteljesen a hipoxia is); • serkenti az O2-fogyasztást (a piruvátdehidrogenáz aktiválásával); • serkenti az aminosavak felvételét; • elımozdítja a fehérjék felhalmozódását a fehérjék lebomlásának gátlásával. A glükóz fıleg glikolízissel metabolizálódik; a pentózfoszfát sönt a glükózátalakításnak csak mintegy 2 %-át teszi ki. Az izomszövetek rendelkeznek a glikogénciklus enzimeivel; de a glikogenezis lassú, a glikogenolízis viszont gyors (a vázizom rostjaiban). A glikogén szintézisét az inzulin fokozza, a lebontását viszont a glukagon és még inkább az adrenalin (β adrenoreceptorokon keresztül). • Külön érdekesség, hogy a glikogén lebontásának kulcsenzime, a glikogénfoszforiláz, Ca2+-mal közvetlenül is aktiválható ⇒ az elektro—mechanikai csatoláskor a kontrakcióval egyidejőleg biztosítódik az energiautánpótlás is. A gyors rángású vörös és fehér izomrostok minden valószínőség szerint glikogént tudnak szintetizálni laktátból (glükoneogenezis; de ennek mértéke nem nagy). Ez a folyamat a lassú rángású vörös izomrostokban igen mérsékelt, mert alacsony a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz aktivitása. A nyugvó izomban a glikolízis és a citrátciklus a maximálisnak mintegy 10 %-án mőködik. Ezért a laktát alig győlik fel. Az izom hipoxiája serkenti a glükózfelvételt és a tejsavtermelést (talán mert a foszfofruktokináz aktivitása nı az ATP-szint süllyedésével). A glikolízis fokozódása nyomán a végtermék piruvát, laktát vagy alanin formájában kerül a véráramba. Az aminosavak felvételét az inzulin segíti. Az aminosavak sorsa hasonló a májéhoz, de kevesebb aminosavat érint és kisebb mértékő. Az izomzat viszonylag labilis fehérjeraktár. A fehérjék szintézisét az inzulin és a növekedési hormon fokozza (nem közvetlenül); viszont a glükokortikoidok gátolják. A hímekben serkentı hatásúak az androgének (és szintetikus változaik, az anabolikus izomépítık). A glukagon és a glükokortikoidok elısegítik bizonyos fehérjék aminosavakká bomlását (így azok a glükoneogenezis elıanyagait szolgáltatják. A kontrakció alatt a glükózfelvétel és az O2-igény akár 20-30-szorosára is megnövekedhet. Az O2-felhasználást azonban a vérrel történı utánpótlás biztosítja, amit viszont az izom tartós összehúzódása mérsékel (emberben maximálisan 8-9-szeresére képes fokozódni a nyugalmi szinthez képest) ⇒ a tartós és erıteljes összehúzódás idején a tényleges
O2-felhasználás elmered az O2-igénytıl, és így O2-adósság alakulhat ki. Ekkor a glikolízis a fokozott glükózfelvétel következtében fokozódik; az erıs és tartós összehúzódás ideje alatt a piruvátképzıdés sebessége meghaladja a citrátkör piruvát-befogadó képességét, ezért nagy mennyiségő laktát képzıdik. (Az O2-adósságot a tartós munkavégzést követıen „vissza kell fizetni”: a vér által a májba juttatott laktát, piruvát és alanin ismét glükózzá alakításához szükséges energiát a májsejtek oxidatív anyagcseréje biztosítja ⇒ az egész szervezet O2fogyasztása az izomzat nyugalomba kerülése után csak lassan csökken, és „visszapótolja az adósságot”.) Még a posztprandiális fázis idején is a tartós izommunka elég gyorsan süllyesztené a vérplazma glükózszintjét, de ezt a máj glükózkibocsátása addig képes kompenzálni, amíg a glikogénbıl nyerhetı glükóz. Ezt követıen az izomrostok kénytelenek lesznek a zsírsavak oxidációjára egyre fokozottabban átállni, amit viszont a vér által szállított O2-utánpótlás fog korlátozni (mivel a zsírsavoxidáció csakis oxidatív úton történhet). Ettıl kezdve az izommunka intenzitása egy mérsékeltebb szinten stabilizálódik. Éhezési anyagcsere Az éhezés elsı szakaszában a szabad zsírsavak a vázizomzat preferált üzemanyaga. A szabad zsírsavak elnyomják a glükóz felvételét és oxidációját, mert közvetve elımozdítják a piruvátdehidrogenáz átalakulását az inaktív formába (mert az acetil-KoA és a NADH serkenti azt a proteinkinázt, amely inaktv alakba foszforilálja az enzimet). A szabad zsírsavak felhasználása nem függ az inzulintól (aminek szintje a vérben ekkor úgyis alacsony). Mind nyugalomban, mind a kontrakció alatt a vázizomzat energiaigényének mintegy 50 %-a a szabad zsírsavak oxidációjából származik. Az éhezés késıbbi fázisában már egyre nagyobb mértékben a ketontestek oxidációja biztosítja a vázizomzat energiaszükségletének nagy részét. Mind a zsírsav-, mind a ketontestfelhasználás glükózt spórol meg más szövetek számára; ráadásul gátolják is a glikolízist. Az edzés fokozza a vázizmok ketontest-oxidációs képességét. Fıleg a váz- (és a szívizom) végzi az elágazó oldalláncú aminosavak (leucin, izoleucin és valin) lebontását (kisebb mértékben más perifériás szövetek is). • Ezen aminosavak szénvázának eloxidálása energiát szolgáltat az izomkontrakcióhoz. • Ennek elsı lépése az elágazó oldalláncú aminosavak transzaminálása piruváttal. A képzıdı alanin elhagyja az izomsejteket és a vérrel a májba szállítódik, ahol az egyik jelentıs glükoneogenetikus elıanyag (glükóz—alanin ciklus). A szívizom A falban levı görbült izomrostjai harántcsíkoltak és igen gazdagok mitokondriumokban. Nagyban hasonlítanak ezért a vázizom vörös izomrostjaihoz, csak éppen a szívizom sejtjei elágazók és nem sok sejtbıl olvadnak össze. A szívizom által igényelt összes energia 60-90 %-a a szabad zsírsavak oxidációjából szabadul fel. Posztprandiális anyagcseréje Ekkor a vérplazma szabadzsírsav-koncentrációja eléggé alacsony ⇒ a szívizom ekkor glükózt, piruvátot és laktátot használ oxidatív lebontásuk során energianyerésre. Ráadásul a piruvát és a laktát gátolja a szabad zsírsavak és az elágazó oldalláncú aminosavak felvételét és oxidációját. A szívizomban a fokozottabb munkavégzés sem vezet O2-adóssághoz, mert • a normális szívizom O2-ellátása jobb, mint a vázizmoké,
•
a citrátkör és a terminális oxidáció kapacitása a szívizomsejtekben nagyobb, mint a vázizomrostokban. Éhezési anyagcsere
Ekkor a szívizom mőködésének fı energiaforrása a zsírszövetbıl származó szabad zsírsavak oxidációja. Amikor a vérplazmában a ketontestek szintje az éhezés során elég magasra emelkedik, az energia egy jó része ezek oxidációjából fog származni. A zsírszövet Az emlısökben a zsírszövetnek két típusa van: a fehér és a barna zsírszövet. Fıleg az utóbbi van jól ellátva vérér-kapillárisokkal (de a fehér zsírszövetben sem ritkák a hajszálerek), és mindkettı elég jól innervált elsısorban szimpatikus posztganglionáris idegrostokkal. A fehér zsírszövet nedves tömegének mintegy 80 %-át alkotják a raktározott triacilglicerinek. Emberben a triacil-glicerinekben jelen levı zsírsavak • 45 %-ban olajsav (cisz-∆9-oktadecénsav), • 20 %-ban palmitinsav (hexadekánsav), • 10 %-ban linolénsav (all-cisz-∆9,∆12-oktadekadiénsav), • 6 %-ban sztearinsav (oktadekánsav) és • 4 %-ban mirisztinsav (tetradekánsav). A zsírsejtek (adipociták) gömbszerőek, egyetlen nagy zsírcsepp-vakuólát tartalmaznak (benne triacil-glicerinekkel), ami kitölti a sejt nagy részét. A citoplazma csak egy vékony film a zsírvakuóla körül, a sejtmag pedig ellapult. Az anyagcsere szempontjából ez a szövet raktározza a nagy mennyiségő és legtöbb energiát tartalmazó triacil-glicerineket. A bır alatti zsíszövet mennyisége az életkorral a nıkben általában növekszik, a férfiakban általában csökken. A belsı zsigeri szervek közötti zsírszövet mennyisége viszont a férfiakban növekszik inkább, mint a nıkben, fıleg a kortikoszteroidok hatására. A nıkben további nagyobb zsírszövet található az emlıkben és a fartájékon (esetleg a deréktájékon is), elsısorban az ösztrogének, de még inkább a progeszteron hatására. A zsírok mennyisége és eloszlása a szervezetben tehát ivari kétalakúságot (szexuális dimorfizmust) mutat. A barna zsírszövet zsírsejtjei jóval több citoplazmát tartalmaznak, sok mitokondrium van bennük és a sejtmag nem lapult el. A lipidek sok kis cseppecskékben raktározódnak e sejtekben. A barna zsírszövet sejtjei szimpatikus izgalom hatására extra hıt tudnak produkálni és a véráramlásuk is fokozódik. A sejtekben ilyenkor aktiválódik a termogenin nevő fehérje génje, és a termogenin hatására a mitokondriumok belsı membránja áteresztıvé válik a protonokra, amelyek így nem ATP szintézist hajtanak, hanem a potenciális energiájuk hıvé disszipálódik. Ez a funkciója legintenzívebb az újszülöttekben, de még a felnıttekben is mőködik valamelyest. (Ezért akinek a barna zsírszövete felnıttkorban is aktívabb, az kevésbé van kitéve az elhízás veszélyének, mint a kisebb aktivitású barna zsírszövettel rendelkezık.) A barna zsírszövetet eredetileg „hibernáló szervnek” gondolták, mert a téli álmot „alvókban” (a hibernálókban, pl. hörcsögökben) a felébredéskor igen intenzíven mőködik. Tartós hideghatása vagy fokozott táplálékbevitelre tömeges hipertrófiával reagál (de néha még a hiperpláziája is elıfordul). Hipertrófiáját fokozza a pajzsmirigyhormonok (T3 és T4) magas szintje; a T3 növeli a noradrenalin iránti érzékenységét is (a β adrenergiás eceptorok számának növelésével). A fehér zsírszövet anyagcseréje
Az általa raktározott triacil-glicerinek energiatartalma az ember számára nagyjából másfél-két hónapra elegendı alacsony anyagcsereszint mellett (ld fentebb). Más fajokban azonban ez az érték igen eltérı lehet (pl. a növényevı patásokban viszonylag kevesebb ideig volna elég ez a raktár, de a költözı madarakban vagy a téli álmot alvó emlısökben sokkal hosszabb ideig elegendı). A nagy mennyiség ellenére a raktározott lipidek részvétele a szövetek üzemanyag-áramlásában csak viszonylag kis frakciót tesz ki (részben ezért is tart sokáig, illetve az elfogyasztása még komoly izommunka mellett is hosszú idıt igényel). Posztprandiális anyagcsere A bélbıl származó kilomikronok (CM) és a májból eredı VLDL triacil-glicerinjei szabad zsírsavakra és glicertinre hidrolizálódnak a szövetek hajszálereinek falában levı lipoprotein-lipáz katalizáló hatására. A szabad zsírsavak belépnek a szövetekbe, így a zsírszövet adipocitáiba is. A folyamatot az inzulin hatása serkenti. A szabad zsírsavak triacil-glicerinekké újraészterezıdése az adipocitákban függ a glikolízistıl, mert a zsírsejtek csak glükózból tudnak elıállítani glicerin-3-foszfátot (ami a reészterezıdéshez szükséges) (a zsírsejtekben nem található glicerinkináz aktivitás, csak a májban). • A zsírsejtek glikolízise viszont az inzulintól függ a glükóz felvétele miatt. ⇒ Az inzulin elısegíti a triacil-glicerinek szintézisét az adipocitákban. • A zsírsejtek intenzív a glükóz direkt oxidációja (a pentózfoszfát sönt), mert a zsírsavak bioszintéziséhez nagy mennyiségő NADPH-ra van szükségük. • A zsírsavszintézis elsı lépését (az acetil-KoA-karboxiláz által katalizált reakciót) szintén elısegíti az inzulin. • Ugyanakkor az inzulin elnyomja a hormonérzékeny triacil-glicerin-lipáz aktivitását (ami a szabad zsírsavakat és a glicerint mobilizálja a zsírsejtekbıl) (mert csökkenti a cAMP szintet a sejtekben. Ebben az anyagcsere-fázisban mind a glükóz, mind az inzulin szintje magas a vérplazmában ⇒ a kettıs hatásuk erıteljesen fokozza a zsírraktározást (a lipogenezist). Éhezési anyagcsere Mivel ilyenkor mind a glükóz, mind az inzulin szintjei alacsonyak, a zsírraktározás megszőnik. Viszont a zsírszövet sejtjei számos hormonra reagálnak, amelyek a zsírok mobilizálását (a lipolízist) segítik elı ilyenkor. Az adipocitákban levı triacil-glicerin-lipáz enzim ui. számos hormonra és transzmitterre érzékeny; azok az aktivitását fokozzák. Ilyenek: • a szimpatikus posztganglionáris idegvégzıdésekbıl felszabaduló noradrenalin és a mellékvesevelıbıl eredı adrenalin (amelyek zömmel a β adrenergiás receptorokon át hatnak az adenilátciklázt aktiválva és az i.c. cAMP-szintet emelve); • a glukagon, • az ACTH, az MSH és a kortizol, • a növekedési hormon (STH vagy GH) és a lipotróp hormon (LPH). Az emberben a lipolízis fı szabályozója valószínőleg a szimpatikus neurotranszmitter noradrenalin, illetve a hasnyálmirigy inzulinja. Szükségállapotok vagy stressz idején a mellékvesevelıbıl felszabaduló katekolaminok (fıleg az adrenalin) is erıteljesen serkentik a lipolízist. A vese A vese külsı rétege a kéreg (kortex), a belsı a velı (medulla). A kortex tartalmazza a veseglomerulusok többségét (a kortikális nefronok glomerulusait), ahol a vérplazma
ultrafiltrációja történik. A nefronok nagyobb része azonban a vese velıállományában található, ahol a csatornácskákban a készülı vizelet módosul tubuláris transzportokkal. A vese anyagcsere-funkciói A vese sejtjei képesek felhasználni az összes fontos üzemanyagot: a glükózt, a szabad zsírsavakat, a laktátot, a glutamint, a citrátot, a glicerint és a ketontesteket is. Ám a kéreg és a velı sejtjei nagyon eltérı képességőek e tekintetben. A kéreg nagy nagy O2-fogyasztású, mert itt magas a citrát-ciklus és az elektrontranszportlánc enzimek mennyisége és aktivitása. Itt az RQ ∼ 0,75 ⇒ a fı energiaforrás a szabad zsírsavak oxidációja lehet. A kéreg felhasználja az itt képzıdı ketontesteket is üzemanyagként. A vese velıállományában alacsony a citrátkör és a légzési elektrontranszportlánc enzimeinek aktivitása, de magas a glikolitikus aktivitás ⇒ itt az O2-fogyasztás alacsony szintő. A glikolízis számára a glükóz forrása • a vérplazmából felvett glükóz (a posztprandiális fázisban), • a kéreg által kivitelezett glükoneogenezis (az éhezési fázisban). Glükoneogenezis a vesében A vese egységnyi tömege még a májnál is nagyobb sebességgel képes kivitelezni a glükoneogenezist, de rendszerint a kéregben így keletkezett glükóznak csak kis része kerül be a vérkeringésbe; inkább a velı használja fel az így termelt glükózt. A vesebeli glükoneogenezis sebességét elsısorban a glukagon és az adrenalin szabályozza az adenilátcikláz és a cAMP útján fokozva azt ⇒ fıleg az éhezési fázisban fokozódik az intenzitása. A vesében a glükoneogenezis sebességét növelni képes az e.c. folyadék (a vérplazma acidózisa is. A kulcsenzim a foszfoenol-piruvát-karboxikináz, amelyet még nem ismert mechanizmus indukál. Ilyenkor a glükoneogenezis fı szubsztrátuma a glutamin, aminek aminocsoportja ammóniaként (NH3) hidrolizálva majd a kiválasztott protonok vivıanyagaként szekretálódik a nefronok csatornácskáiba. Az idegrendszer A szokásos körülmények között (posztprandiálisan vagy egy éjszakai éhezést követıen) az idegrendszer glükózt használ egyedüli üzemanyagként. Az emberi idegrendszer óránként glükózfelhasználása kb. 6 g, nagyjából függetlenül attól, hogy éppen pihenünk vagy differenciálegyenleteket oldunk meg. A glükóz nagy része (mintegy 25-30 %-a) teljesen oxidálódik CO2-dá és vízzé (H2O); a glikogénraktárai igen kicsinyek. Viszont a glükóz nagy részébıl (50-75 %) aminosavak képzıdnek, mert az aminosavak kicserélıdése igen nagy sebességő (lévén a neurotranszmitterek egy jelentıs része aminosav-származék). Az idegrendszer (fıleg a központi idegrendszer) O2-fogyasztása nagyon nagy sebességő. Egy átlagos felnıtt emberben az összes O2-fogyasztásnak kb. 25 %-a jut a központi idegrendszerre; de 4 éves kor alatti gyermekekben ez az arány elérheti az 50 %-ot is! ⇒ A központi idegrendszer rendkívüli mértékben O2-érzékeny szerv: a teljes O2-hiány mintegy 5 perce után az idegsejtek némelyike már irreverzibilisen károsodik. A központi idegrendszerben a glikolízis a maximális sebességének mintegy 20 %-ával folyik, a citrátkör azonban közel maximális sebességgel fut. Ennek is részben a nagy aminosavszintézis-igény a magyarázata. A glikolízis tartalék kapacitása fontos része az idegrendszeri anoxia elleni védekezésnek. 1 percnyi anoxia végére a glikolízis sebessége és a laktáttermelés 5-8-szorosára
növekszik. A glikolízis fokozódásának mechanizmusa anoxia esetén a Pasteur-effektus, aminek során a csökkenı ATP-szint megengedi, hogy jelentısen aktiválódják a foszfofruktokináz enzim. Még nem ismert mechanizmussal az idegi hexokinázt is aktiválja az anoxia. Az alvás alatt az idegrendszer glükóz- és energiafelhasználása csak viszonylag kis mértékben csökken az ébrenléti állapothoz képest; a lassú hullámú alvásszakasz alatt jobban, de a REM alvászakasz alatt megint fokozódik valamelyest. A hipoglikémia az idegsejtek energiatöltését nem nagyon befolyásolja, de már enyhe értékénél is növekszik az NH3 szintje, ami jelentısen lefékezheti a citrátciklust. A citrátkör nagy jelentısége miatt az ammónia (NH3) az idegrendszerre nézve a leginkább mérgezı, mert a citrátkörbıl elvonja az alfa-ketoglutársavat (glutaminsavvá alakítva azt). Ekkor a glikolízis fokozódik, a laktát termelése nı, és a szövet pH-ja lassan süllyed (acidózis alakul ki). Mindez súlyos zavarokat idézhet elı az idegsejtek mőködésében. Az idegrendszer lipidforgalma igen jelentıs. A fehérállomány nagy részét kitevı idegrostok és idegpályák velıshüvelyei (mielin burka) nagy mennyiségő és komplex lipideket tartalmaznak; ezek kicserélıdése viszonylag nagy sebességő. A nagy kicserélıdési sebesség ellenére meglepı, hogy a foszfogliceridek összetétele mégis nagy mértékben állandó a táplálékban levı összetevık jelentıs változásai ellenére. A tartós éhezést – amikor a vérplazma glükózszintje már valamelyest csökkent – az idegrendszer elviseli, mert a ketontestek vérplazmabeli szintje ekkor már nagy, szolgáltatva azt az üzemanyagot, amit az idegrendszer ekkor már elfogad. (Ez is glükózspórolás a vérsejtek számára). Az inzulin nem tud átjutni a vér-agy gáton ⇒ ezért közvetlen hatással nem rendelkezik az idegrendszer anyagcseréjére. Az idegrendszerben a fehérjék kicserélıdése is intenzív. Egy-egy idegsejt naponta a saját tömegének többszázszorosát kitevı fehérjemennyiséget szintetizál és bont le. Persze az egyes aminosavak kicserélıdési sebességei jelentıs mértékben eltérhetnek régiónként, illetve az idıben is. Az élénk fehérjekicserélıdés fıleg a fiatal szervezetben kapcsolatban van a nagy mennyiségő új idegsejt termelésével; de késıbb ez a folyamat lelassul és alacsonyabb szinten állandósul. A fiatal szervezet nagy fehérje-turnoverét elsısorban a pajzsmirigyhormonok (T3 és T4) serkentik (a pajzsmirigyhormonok viszonylagos elégtelensége az emlısök magzatui élete során ezért okoz idegrendszeri fejlıdési – és értelmi – visszamaradottságot.) A viszonylag nagy fehérje-kicserélıdést befolyásolják még a következık: • az inzulin, • az inzulinszerő növekedési faktorok, • a glükokortikoidok, • a növekedési hormon. A vérsejtek A véráramba jutva az emberi vörösvérsejtek már nem rendelkeznek sem sejtmaggal, sem mitokondriumokkal ⇒ nem képesek oxidatív anyagcserére (jóllehet az O2-t szállítják). ⇒ Az alakváltoztatáshoz és a NADPH redukált állapotban tartásához szükséges energia a glikolízisbıl és a pentózfoszfát söntbıl származik. A NADPH a végsı forrása a hemoglobin vasa (Fe2+) esetleges eloxidálását (Fe3+) követı visszaredukálásához szükséges elektronnak is. (Az oxidált vasat tartalmazó methemoglobin nem szállít O2-t.) A glikolízisnek egy mellékreakciójában a vörösvérsejtben 1,3-difoszfo-glicerátból 2,3difoszfo-glicerát képzıdik. Ez nem a glikolízis metabolitja, hanem a hemoglobin O2affinitását csökkenti le olyan mértékben, hogy képes lesz leadni azt a szövetek sejtjeinek.
Más struktúrájuk ellenére, a fehérvérsejtek is zömmel glikolitikus úton jutnak energiához az életbenmaradásukhoz és funkcióik elvégzéséhez. Ám a neutrofil granulocitákban elég intenzív a pentózfoszfát sönt is, ami a védekezési reakcióikhoz szükséges NADPH-t szolgáltatja. A felvett O2.t csak reaktív oxigéngyökök képzésére használják peroxiszómáikban; ezekkel roncsolják a még rajtuk kívül levı mikroorganizmusokat.
A TÁPLÁLÉKFELVÉTEL SZABÁLYOZÁSA
ÉS
A
TESTTÖMEG
(ZSÍRMENNYISÉG)
A táplálékfelvétel motivált viselkedés, aminek fı specifikus hajtóereje az éhség. Mint minden motivált viselkedésnek, a táplálékfelvételnek is négy cselekvési szakasza van: 1.
Ahogy a sejtek tápanyag-ellátása kezd nem kielégítıvé válni, az idegrendszerben fokozódik bizonyos idegsejthálózatok aktivitása → e központi nyugtalanság következtében a szervezet spontán helyváltoztató aktivitása növekszik. 2. A következı fázisban már konkrétan táplálékot keres az egyed, kutatni kezdi a lehetséges táplálékokat (appetitív fázis). Ez nagyon változékony szakasz, mert erısen befolyásolják a tanulási folyamatok és a táplálékkal kapcsolatos emléknyomok. Ebben a szakaszban lényegében a táplálkozás kulcsingereinek keresése zajlik. 3. Amikor a táplálék már hozzáférhetı (vagyis a kulcsingerek már jelen vannak, akkor kezdıdik a nagy mértékben fajspecifikus és sztereotip fázis, az ún. konszummációs fázis. Ez foglalja magában a táplálék megszerzését, bekebelezését, és a fizikai-kémai kontaktust követıen kétféle lehetséges válasz létrejöttét: • Ha a gyors kémiai elemzés az idegrendszer számára kedvezı információt jelent, akkor a táplálék vagy a falat lenyelıdik és megkezdıdik a táplálék feldolgozása; • Ha a gyors kémiai elemzés nem kedvezı információt tartalmaz, akkor az idegrendszer az elutasításra ad parancsot (pl. az emlısök a szájukból kiköpik a falatot). 4. A táplálék feldolgozása (emésztése) és kémiai feldolgozása, majd a tápanyagok felszívódása után az idegrendszer táplálékfelvételi hajtóereje megszőnik, a nyugtalanság szintén (ez az állapot a jóllakottság állapota, amikor a szervezet tápanyag-szükséglete kielégült); sıt, a táplálék ingereivel nem is váltható ki újabb táplálékfelvétel (ami korábban a konszummációs fázist elıidézte (refrakter fázis). Az eddig leírt – éhség és jóllakottság vezérelte - etofiziológiai szabályozás mellett létezik még a táplálékfelvételnek más, inkább csak egyes fajokra jellemzı, külsı pszichikai ösztönzıi is (legalábbis az emberben). Ilyenek: • különleges fogékonyság a táplálék illata és ízei iránt (ilyenkor a táplálék ízletessége túlzottan pozitív emocionális hatású a táplálékfelvételre): a kulcsingerek túl erıs hatást gyakorolnak a konszummációs fázisban a felvett mennyiségre (torkosság, kívánósság); • más motivált cselekvések megakadályozása által keltett frusztráció és motivációs konfliktus „megoldása” helyettesítı cselekvésként táplálkozással, vagy éppen annak lecsökkentésével. Ezek létezése miatt a táplálékfelvétel néha meghaladhatja a fiziológiailag szükségeset, néha meg nem tudja kielégíteni a szervezet tényleges igényeit. Ez elıbbi eset elhízáshoz vezethet, az utóbbi meg lesoványodáshoz; mindkettı hosszabb távon a testtömeg megváltozását idézi elı.
Az éhség/jóllakottság fiziológiai mechanizmusai Az éhség a táplálékfelvétel cselekedete mögött feltételezett belsı hajtóerı, aminek intenzitása alapvetıen meghatározza az elsı két fázis létrejöttét, illetve a táplálék kulcsingereire adott konszummációs válasz erısségét. A kulcsingerekre adott idegrendszeri válasz és a konszummáció eredményeként kialakuló jóllakottság állapotának tanulással társított pozitív emocionális (jutalmazó) értéke az éhséget étvággyá színezi át. Az éhség, illetve a jóllakottság (az éhség megszőnése és kielégülés érzés) tényleges fiziológiai és biokémiai mechanizmusai még csak elemeiben ismertek; az összefüggéseikrıl még vázlatos képünk sincs. Perifériás és központi mechanizmusok Az éhség (étvágy) állapotának létrejöttéért már nagyon régóta a sejtek tápanyagellátásának elégtelenségét vélik felfedezni. Ezért úgy gondolták, hogy az éhség perifériás mechanizmusai azzal kapcsolatosak, hogyan detektálják a sejtek a nem megfelelı tápanyagés energiaellátást. Ezek együttese lenne az éhség perifériás mechanizmusa. Ezekrıl a tápcsatorna környéki afferens idegrostok (fıként a bolygóideg) aktivitása vagy a tápcsatornából felszabaduló hormonok értesítik a központi idegrendszert. Vannak tápanyag- (glükóz-, zsírsav-, aminosav-) receptorok a gyomorban, a vékonybélben és a májban is. A vékonybélben termelıdı bélhormonok közül a kolecisztokininrıl (CCK) biztosan tudjuk, hogy rövid távon mérsékli a táplálékfelvételt (rövid távú „jóllakottsági hormon”). Bizonyosan ilyen az éhezéskor a gyomor fundus nyálkahártyájából felszabaduló ghrelin nevő 28 aminosavas peptid hormon, ami az agyalapi mirigyre G-fehérjékkel kapcsolatos receptoron át hatva fokozza a növekedési hormon elválasztását. Igazi „étvágyhormon”, ami éhezéskor termelıdik és az idegrendszerre is hatva serkenti az evést. A perifériáról közvetített jelzés kapcsolatban lehet a tápanyagok felhasználási sebességével (nem a szintjükkel, mert pl. a magas vérglükózszintő cukorbeteg is lehet éhes). A perifériás jelzéseket és a tápláltsági állapot saját jelzéseit azonban az idegrendszernek kell lefordítania a táplálékfelvétel konkrét mozgásmintázatainak létrehozására. Ehhez az idegrendszernek • jelzéseket kell kapnia a perifériáról a sejtek inadekvát tápanyag- és energiaellátásáról, • saját magának is detektálnia kell tudni a rajta átáramló vérben a különféle tápanyagok és metabolitok szintjeit, illetve hozzáférhetıségét (kell rendelkeznie tápanyagreceptorokkal); • ezeket a jelzéseket fel kell dolgoznia az éppen fennálló körülmények között, és • ki kell dolgoznia a megfelelı viselkedési választ, majd a mozgató parancsokat ki kell küldeni a vázizmokhoz (meg természetesen a belsı szervek simaizmaihoz és mirigyeihez is). Az idegrendszernek a táplálékfelvétel megszervezésével kapcsolatos tevékenységét nevezik az éhség központi fiziológiai mechanizmusainak. A táplálékfelvételt szabályozni képes idegi rendszerek és idegsejthálózatok léteznek az agytörzsben (nyúltvelıben, a középagyban), a köztiagyban (elsısorban a hipotalamuszban) és a limbikus rendszerben (elsısorban a mandulamagvakban, a nucleus accumbens septiben és a hippokampális formációban) is. Ezek kapnak idegi bemenetek az érzékszervek (ízlelıszerv, szaglószerv, látószerv stb.) felıl az agykérgen keresztül is. A kimeneteiket az agytörzsi és a
gerincvelıi alsó mozgatórendszerekhez küldik, illetve befolyásolják az agyalapi mirigy hormonjainak termelését is (a hipotalamuszon keresztül). Már az 1940-es évektıl végzett irtásos és stimulációs kísérletek alapján a táplálékfelvétel és a testtömeg fı centrális szabályozójának a hipotalamuszt vélték. Mivel a laterális hipotalamusz (LH) izgatása a rágcsálókban túlzott evést (hiperfágiát) és elhízást, irtása viszont a táplálékfelvétel abbamaradását (afágiát) és lesoványodást (sıt, pusztulást) idézett elı, a LH-t kinevezték „éhségközpontnak” vagy „táplálékfelvételi centrumnak”. A ventro-mediális hipotalamusz (VMH) serkentése az evés abbamaradását, irtása viszont hiperfágiát és elhízást okozott hosszabb távon; ezért kinevezték a VMH-t „szatiációs” vagy „jóllakottsági központnak”. Úgy vélték, hogy a táplálékfelvételt ez a két kapcsolt központ antagonisztikus módon szabályozza: amikor az egyik aktiválódik, gátolja a másikat. Mindegyiknek vannak saját tápanyagreceptoraik és kapnak is különféle idegi és hormonális bemeneteket is. A táplálékfelvétel bonyolult cselekvésének szabályozását naivitás egyetlen jól meghatározott anatómiai stuktúrába lokalizálni. A szabályozást ténylegesen végzı neuronhálózatok • valóban sőrősödnek e két hipotalamikus struktúrában, • de a valóságban sokkal kiterjedtebbek, • a korábban vélt mőködéseik kapcsolatban vannak a táplálékfelvétellel, de nem az összes aspektusával. A LH valójában a mediális elıagyi köteg és nem sok idegsejt helye. A MEK-en haladnak át az elıagyat az agytörzzsel összekötı idegpályák. Ezek roncsolásakor nemcsak afágia jön létre, hanem adipszia és általános motivációhiány is; az állat ilyenkor nem azért nem eszik (afágia), mert nem éhes, hanem mert nincs motivációja hozzá; akárcsak más tevékenységekhez sem. Ám ha erıszakkal táplálják mesterségesen, akkor egy idı múlva visszatér a táplálékfelvétel szabályozása, pedig továbbra sincs „éhség-„ vagy „táplálékfelvételi központja”. A VMH sem „jóllakottsági központ”; az ingerlése azért eredményezi az addig fogyasztott táplálék felfüggesztését, mert az állat sokkal finnyásabb és válogatósabb lesz. Ui. a VMH közvetlen idegi bemenetet kap a (többnyire negatív) emóciókat szervezı mandulamagvaktól. A táplálékfelvételt és a testtömeget (zsírszövet-tömeget) szabályozó neuronhálózatok biztosan megtalálhatók az agytörzsben is. Itt a táplálkozás szabályozásában biztosan involvált struktúra a nucleus tractus solitarii (NTS), a nucleus parabrachialis és a nucleus motorius dorsalis nervi vagi. Számos idegsejtnek itt is vannak tápanyag- (glükóz-, aminosav-, zsirsavreceptorai), és kapnak is idegi bemeneteket a perifériás strukturáktól (fıleg a NTS közvetítésével). Számos idegi transzmitter (fıleg a hipotalamuszban és a tápcsatornában is elıforduló neuropeptid) szállít éhséggel (étvággyal) vagy jóllakottsággal kapcsolatos jelzést az agyvelıbe vagy magában az agyvelıben (táblázat). A táplálékfelvételi viselkedés befolyásoló transzmitterek Serkenti („éhség”) Gátolja („jóllakottság”) leptin neuropeptid Y adrenalin/noradrenalin (α1 rec.) endorfinok galanin dopamin (D2 rec.) noradrenalin (α2 rec.) szerotonin (5-HT18 rec.) GABA urokortin kortizol CRH orexinek MSH
ghrelin
glukagonszerő peptid 1 kolecisztokinin (CCK) kalcitonin bombezin enterosztatin inzulin
Szénhidrátokkal kapcsolatban Zsírokkal kapcsolatban Ezeknek pontos szerepe és a viszonyuk az idegi struktúrák neuronhálózataihoz még nem világos (egy bonyolult „összerakós játéknak” csak egyes elemei). Némelyik tápanyagra specifikus (pl. a szerotonin a glükózra, az enterosztatin a zsírokra); némelyik hormonális szabályozás alatt áll vagy hormonokkal van kölcsönhatásban. Tudjuk, hogy erıs serkentıje a táplálékfelvételnek a nucleus arcuatusban termelıdı neuropeptid Y (NPY), míg az étvágy elnyomója a nucleus paraventricularisban termelıdı kortikotropin releasing hormon (CRH) és az agyalapi mirigy melanocitaserkentı hormonja (MSH). Az inzulin erısen gátolja a NPY szintézisét, a kortizol pedig a CRH szintézist gátolja. Rövid távú és hosszú távú szabályozás A táplálékfelvételnek és a testtömeg optimális szintjének fenntartása rövid és hosszú távú szabályozásai folyamatokat igényel. Mivel a táplálékfelvétel és a sejtek megfelelıen homeosztatikus tápanyag-ellátásának biztosítása között jelentıs idıeltolódás lehetséges (a táplálék fizikai és kémiai feldolgozása, a tápanyagok felszívódása, a véráramlások változásai következtében) ⇒ gondoskodni kell arról, hogy a korábbi táplálékfelvétel mértéke és minısége összhangban legyen valamennyire a sejtek tényleges igényeivel, az esetenként nagy idıeltolódás ellenére a sejtek tápanyag-ellátása ne mutasson nagyon nagy ingadozásokat. Ha ugyanis a táplálékfelvétel csakis a tápanyagfelszívódást követı jelzésekre reagálna, akkor ez utóbbi nagyon nagy lengéseket szenvedhetne el. A sejtek tápanyag-ellátásának nagy lengései kétféleképpen csillapíthatók: 1. A táplálékfelvétel csak kis adagokban történik, de szinte folyamatosan („majszolók”), vagy 2. a táplálékfelvétel nagy adagokban történik szünetekkel („étkezık”), de ezekben jelentıs belsı tápanyag-raktárak vannak, amelyek a fölös tápanyagokat felveszik és a táplálékfelvétel szüneteiben pedig biztosítják a megfelelı tápanyag-utánpótlást. Másrészt a nagy étkezések nagy tápanyag-bevitelét vagy annak hatását valamelyest fékezı mechanizmusoknak is létezniük kell ezekben. Ezek • egyrészt már a táplálék-feldolgozás során (a szájüregbıl, a garatból, a gyomorból és a vékonybélbıl), valamint a felszívódás után azonnal (a májból) visszajelzést küldenek a táplálékfelvételt szabályozó idegi neuronhálózatokba, • másrészt elırecsatolással felkészítik a hasnyálmirigyet és a májat a felszívódást követıen várható feldolgozásokra (lásd gasztro—entero— pankreato—hepatikus kölcsönhatás). E rövid távú szabályozással az étkezıkben a szájüregbıl, a garatból és a tápcsatornából, valamint a májból érkezı visszajelzı hatások „telıdést” (szatiációt) jeleznek a táplálékfelvételt irányító központi neuronhálózatoknak, amelyek így fékezik, illetve meg is állíthatják a további táplálékfelvételt. Ezt a visszajelzést közvetíthetik a/ a szájból és a garat falából, a tápcsatornából érkezı idegi jelek, amelyeknek nagy részét a bolygóideg afferens idegrostjai juttatják az agytörzsi nucleus tractus solitarii-be
(NTS), onnan a mandulamagvakba (emocionális feldolgozás), illetve a hipotalamuszba (erre elıször I.P. Pavlov áletetéses kísérletei hívták fel a figyelmet); b/ a tápcsatornából (fıleg a vékonybél elülsı szegmentumaiból eredı kolecisztokinin (CCK), amely szintén telıdési érzést vált ki (elsısorban az afferens bolygóidegrostok NTSbeli végzıdésein hatva, de serkenti az inzulin és a leptin elválasztását is). E preabszoptív telıdést kiváltó és evést fékezı hatások mellett a posztabszorptív telıdést elıidézı jeleket a máj küldi a központi idegrendszerbe a tápanyagok minıségeirıl is hírt adva az agyvelınek. Minél erısebbek e jelzések, annál gyorsabban lefékezıdik a táplálékfelvétel. A táplálékfelvétel hosszabb távú szabályozása a testtömeget (a raktározott tápanyagok, fıleg a zsírok) mennyiségét is befolyásolja. Ebben az egyik fı szerepet a zsírszövet tömegével arányos visszajelzés játssza a zsírszövet által termelt leptin hormon formájában. Ahogy a leptin szintje emelkedik a vérben, úgy a hipotalamikus leptinreceptorokra hatva fékezıdik lassan a hipotalamuszban az éhség fı komponensének, a neuropeptid Y-nak a termelése (normális fiziológiai viszonyok között), viszont fokozódik az MSH hipotalamikus produkciója, ami fékezıleg hat a táplálékfelvételre. A csökkent tápanyag-utánpótlás hosszabb idı elteltével mérsékelni fogja a zsírszövet anyagának mennyiségét, és ezáltal a leptintermelés is süllyedni fog. A zsírszövet (fıleg a hasi zsigerek közötti közti zsírszövet) tömegét befolyásoló másik tényezı a leptin antagonistájának tőnı ghrelin nevı gyomorhormon. A hipotalamusz nucleus arcuatusában is termelıdı ghrelin az itteni sejtekre hatva fokozza az orexigén (= táplálékfelvételt serkentı) NPY termelıdését és vérbe bocsátását (vagyis az étvágyat); ugyanakkor gátolja a ventro-mediális hipotalamuszban levı és a táplálékfelvételt szabályozó idegsejteket. Tartós hatására (feltehetıleg a gyomorból származó ghrelin esetében) a hasi zsírszövet tömege növekszik (mert itt is vannak receptorai) —→ az itteni adipocitákban elnyomja a zsírmobilizációt (míg viszont a növekedési hormon éppen ellentétes hatású). (Lehet, hogy ez elhízás majd visszafordítható lesz a gyomor ghrelinjének manipulációjával, illetve a leptinrendszer külsı befolyásolásával.)
A szervezet anyagcsere-integrációja Bevezetés Az anyagcsereutak kompartimentalizációja A szervezeti anyagcsere integrációja Az egyes szövetek speciális anyagcseréi A táplálékfelvétel és a testtömeg (zsírmennyiség) szabályozása
A fı metabolikus üzemanyagok égéshıi
Üzemanyag kcal/g kJ/g Szénhidrát (glükóz, glikogén, stb.) 3,8-4,0 15,9-16,7 Zsírsavak 9,0-9,1 37,7-38,1 Ketontestek (acetoacetát, hidroxi-butirát) 4,0 16,7 Aminosavak (átlagosan) 4,0-4,1 16,7-17,2
Az emberi tápanyagok
Az emberi szervezet raktározott szénhidrátjai
Szövet Térfogat vagy tömeg Vér glükóz 6 liter E.C. glükóz 15 liter Máj glikogén 1,6 kg Izom glikogén 21,0 kg Más szövetek 5-6 kg
Koncentráció Összes mennyiség 80 mg/dl 5g 80 mg/dl 12 g 2-10 % 30-150 g 0,3-2,0 % 60-400 g nem ismert 25 g (becslés)
A glukagon és a tápanyag-áramlások
Az emberi lipoprotein-forgalom
A táplálékfelvétel befolyásoló központi idegrendszeri transzmitterek Serkenti („éhség”) neuropeptid Y endorfinok galanin noradrenalin (α2 rec.) GABA kortizol orexinek ghrelin
Gátolja („jóllakottság”) leptin adrenalin/noradrenalin (α1 rec.) dopamin (D2 rec.) szerotonin (5-HT18 rec.) urokortin CRH MSH glukagonszerő peptid 1 kolecisztokinin (CCK) kalcitonin bombezin enterosztatin inzulin
Szénhidrátokkal, zsírokkal kapcsolatosak
A zsírszövet tömege és a leptin hatása
A zsírszövet, a leptin és az energiaforgalom
